More effective agricultural water protection (TEHO project 2008-2010)

TEHO project is focused on agricultural water protection issues in the area of southwest Finland, which cover around 12000 farms and 20 % of Finnish arable land

Quantitative characterization of pore structure of several biochars with 3D imaging

Pore space characteristics of biochars may vary depending on the used raw material and processing technology. Pore structure has significant effects on the water retention properties of biochar amended soils. In this work, several biochars were characterized with three-dimensional imaging and image analysis. X-ray computed microtomography was used to image biochars at resolution of 1.14 $\mu$m and the obtained images were analysed for porosity, pore-size distribution, specific surface area and structural anisotropy. In addition, random walk simulations were used to relate structural anisotropy to diffusive transport. Image analysis showed that considerable part of the biochar volume consist of pores in size range relevant to hydrological processes and storage of plant available water. Porosity and pore-size distribution were found to depend on the biochar type and the structural anisotopy analysis showed that used raw material considerably affects the pore characteristics at micrometre scale. Therefore attention should be paid to raw material selection and quality in applications requiring optimized pore structure.Comment: 16 pages, 4 figures. The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11356-017-8823-

Nutrient retention by differently managed vegetation of buffer zones

Shoots growth and nutrient concentration of differently vegetated buffer zones(BZ) were studied in south-western Finland with clay soils. Aboveground plant biomasses differed greatly among each of the six vegetation types with different age and harvesting parctice. The concentration of P AAAc in soil surface increased with natural vegetation with no harvest. The preliminary results for the BZ plots emphasized the role of vegetation and grazing in an additional nutrient loading

Buffer zone water repellency: effects of the management practice

Water repellency index R was measured in a heavy clay and a sandy loam, used as arable land or buffer zone (BZ). Further, effect of management practise and ageing of BZs were studied. Water repellency was proved to be a common phenomenon on these soils. Harvesting and grazing increased water repellency as does ageing.Low water repellency is supposed to prevent preferential flows and provide evenly distributed water infiltration pattern through large soil volume, which favours nutrient retention

Fertilizer and soil conditioner value of broiler manure biochars

Peer reviewe

Compressive behaviour of the soil in buffer zones under different management practices in Finland

Soil structure that favours infiltration is essential for successful functioning of vegetated buffer zones. We measured bulk density, air permeability and precompression stress in a clay soil (Vertic Cambisol) and a sandy loam (Haplic Regosol) in Finland, to identify management-related changes in the physical and mechanical properties in the surface soil of buffer zones. In addition, the impact of texture on these properties was studied at depths down to 180?200 cm. Soil cores (240 cm3) were sampled from a cultivated field, from buffer zones harvested by grazing (only in a clay soil) or by cutting and removing the vegetation, and from buffer zones covered with natural grass vegetation. The samples were equilibrated at a matric potential of -6 kPa and compressed at a normal stress range of 20-400 kPa (7 h), followed by stress removal (1 h). Generally, the clay soil was more compressible than the sandy loam. Due to trampling by cattle, the young grazed buffer zone (0-3 cm) had the largest bulk density and the smallest total porosity. For the grazed sites, reduced air permeability (2.7-5.1 × 10-5 m s-1) was found, compared with that of the buffer zone under natural vegetation (15-22 × 10-5 m s-1), indicating decreased pore continuity. Although the old grazed site was easily compressed, compared with the younger site, it showed a greater resilience capacity due to the protective cover of organic residues accumulated on the soil surface

Lietelannan levitys sokerijuurikkaalle kasvukaudella

Lannan levitys sokerijuurikasmaille on ongelmallista aikaisesta kylvöstä ja myöhäisestä sadonkorjuusta johtuen, jolloin kasvukauden ulkopuolisina levitysajankohtina maa on usein märkää ja helposti tiivistyvää. Levittämällä lanta kasvukauden aikana, voidaan mahdollisesti vähentää maan tiivistymistä ja samalla vältetään ravinteiden talviaikainen huuhtoutuminen syksyllä levitetystä lannasta. Lisäksi tehostamalla lannan hyödyntämistä, voidaan vähentää väkilannoitteiden käyttöä ja niiden ostosta aiheutuvia kustannuksia.Juurikkaan kasvukausi on pitkä ja sen ravinteiden otto on suurimmillaan heinäkuussa. Siten se pystyy hyödyntämään tehokkaasti kasvukaudella levitetyn lietelannan ravinteet. Kasvukaudella 2009 toteutetussa kokeilussa peltolohkon kahta koekaistaa lannoitettiin eri tavoin. Väkilannoitekaista sai N- ja K-lannoitteina 120 kg N ha-1 ja 30 kg k ha-1 sekä lietelantakaista N-lannoitteena ja lietelantana 66 kg N ha-1, 12 kg P ha-1 ja 22 kg K ha-1. Lietteen levitystä kokeiltiin ensiksi sijoittavalla levityslaitteistolla, mutta kasvuston vioittumisen vuoksi levitysmenetelmä vaihdettiin letkulevitystä vastaavaksi.Keväällä lohkolta otettiin maanäytteet viljavuusanalyysiä varten. Juurikkaan taimettumista seurattiin taimilaskennan avulla. Kasvuston lehtivihreän määrää arvioitiin SPAD-mittarilla kolme kertaa kasvukauden aikana. Lietevaunun vaikutusta maan tiivistymiseen (35 cm) tarkasteltiin penetrometrillä. Juurisadon määrä, juurikkaan keskipaino sekä sadon sokeri-, aminotyppi-, kalium- ja natriumpitoisuudet määritettiin nostetusta sadosta.Kenttähavaintojen perusteella todettiin, ettei käytetty sijoittava levityskalusto sovellu lannan levittämiseen juurikaskasvustoon. Sijoittava kalusto vioitti juurikaskasvustoa huomattavasti, kun kaluston vannasväli oli 17 cm ja juurikkaan riviväli 45 cm. Letkulevityksessä lanta puolestaan imeytyi hyvin maahan, eikä kasvusto likaantunut merkittävästi. Kesäkuun loppupuoli osoittautui hyväksi ajankohdaksi toimenpiteelle, sillä kasvusto on vielä avointa ja voi toipua tallauksesta.Maa oli tiiviimpää lietevaunun renkaan urassa kuin sen vieressä, mikä osittain johtunee poikkeuksellisen märistä levitysolosuhteista. Lietelantakaistan alhaisempi typen lannoitusmäärä näkyi juurikkaiden aminotyppipitoisuudessa, joka oli lietelantakaistalla alhaisempi kuin väkilannoitekaistalla. Kasvukauden aikana mitatut SPAD-tulokset tukevat tulosta. Väkilannoitekaistan sato kehittyi hyväksi ilman fosforilannoitustakin.Levityskalustoa kehittämällä ja ajouria käyttämällä kasvukauden aikaisen lannanlevityksen aiheuttamaa kasvuston vioittumista voitaisiin mahdollisesti vähentää. Lietteen levityksen siirtäminen kasvukaudelle ei automaattisesti poista tiivistymisriskiä, vaan maan kosteustilaan tukee edelleen kiinnittää huomiota. Hyvä keino tiivistymisriskin pienentämiseksi on suosia mahdollisimman kevyttä levityskalustoa

Jätevesilietteen pyrolyysi - laboratorio- ja pilot-mittakaavan kokeita

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää jätevesipohjaisten raaka-aineiden käyttäytymistä pyrolyysiprosessissa sekä arvioida syntyvien lopputuotteiden soveltuvuutta lannoitevalmisteeksi. Tutkimuksessa 1) pyrolysoitiin eri prosessiolosuhteissa (310 ja 410 °C) laboratoriomittakaavan laitteistolla jätevedenpuhdistamon raakalietettä, biokaasulaitoksen mädätysjäännöstä (syötteenä mm. puhdistamoliete) sekä sakokaivolietettä, 2) tutkittiin pyrolyysiprosessin hiilipitoisten lopputuotteiden ravinteiden ja raskasmetallien kokonaispitoisuuksia sekä liukoisen fosforin määrää, 3) toteutettiin mädätysjäännöksellä testiajo pilot-mittakaavan pyrolyysilaitteistolla. Raakalietteen ja mädätteen pyrolysointi muunsi kiinteän jakeen massasta lämpötilasta riippuen 25–52 % kaasu ja nestejakeiksi. Samalla fosforin määrä hiilipitoisessa kiintojakeessa kohosi mineraalilannoitteiden tasolle (3–6 %). Pyrolyysi ei vaikuttanut merkittävästi helppoliukoisen fosforin määrään, vaan se oli alhainen sekä raaka-aineissa että hiilipitoisessa lopputuotteessa. Myös raskasmetallit konsentroituivat hiilijakeeseen: kadmiuminpitoisuus vaihteli välillä 0,7–1,3 mg kg-1. Sakokaivoliette osoittautui alhaisesta orgaanisen aineen määrästä johtuen epäsuotuisaksi raaka-aineeksi pyrolyysiin. Pyrolyysi onnistui ongelmitta pilot-mittakaavan laitteistolla ja laskennallisesti pyrolyysin avulla voitiin alentaa kiintojakeen varastointi- ja kuljetustarvetta neljännekseen. Laboratoriomittakaavan pyrolyysiajoissa havaittiin kuitenkin merkittävä turvallisuusriski, kun hiilipitoinen lopputuote kuumeni voimakkaasti joutuessaan kontaktiin hapen kanssa. Soveltuvilla laitevalinnoilla ja prosessia optimoimalla voidaan pyrolyysiteknologiaa hyödyntää jätevesilietepohjaisten materiaalien prosessoinnissa. Lopputuotteen maatalouskäyttö on ravinne- ja raskasmetallipitoisuuksien valossa mahdollista, mutta mm. fosforin pitkäaikainen käyttökelpoisuus tulisi selvittää. Lisätutkimusta tarvitaan myös prosessissa syntyvien neste- ja kaasujakeiden hyödyntämisestä, sekä orgaanisten haitta-aineiden esiintymisestä kiinteässä hiilipitoisessa lopputuotteessa. Tutkimus oli osa Luonnonvarakeskuksen laajempaa ravinteiden kierrätyksen tehostamiseen tähtäävää tutkimuskokonaisuutta. Jätevesilietteiden prosessointiin liittyvää tutkimusosiota rahoitti Vesihuoltolaitosten kehittämisrahasto.The aim of this research was to test pyrolysis of sewage sludge in laboratory and pilot scale, and to evaluate the suitability of solid end-products for agricultural use. We pyrolysed sewage sludge from municipal waste water treatment plant with and without anaerobic digestion (AD, biogas plant) as well as waste water sludge from scattered settlements. Slow pyrolyses were carried out in two maximum peak temperature (310 and 410 °C) using laboratory scale devise. In addition test run using pilot scale mobile pyrolysis device was performed. After pyrolysis, solid char fractions were studied for contents of nutrients and heavy metals. In addition, solubility of phosphorus (P) was assessed by sequential chemical fractionation procedure. In the pyrolysis process 25–52 % of the initial raw material mass ended up to gas and liquid fractions. Most of the phosphorus was recovered in the solid char fraction, and its P concentration corresponded to commercial mineral fertilizers (3–6 %). However, pyrolysis had only minor effect on the solubility of phosphorus; it was low in raw materials and pyrolysed char fractions. Heavy metals concentrated also into char fraction, for example, cadmium concentrations varied between 0.7 and 1.3 mg kg-1. Waste water sludge from scattered settlements proven to be unfavourable raw material for pyrolysis because of low initial organic matter content. In the pilot scale pyrolysis of AD sludge was successful. Based on calculations we estimated that pyrolysis could cut the need for storage and transport capacity to one fourth (char fraction vs. raw material). However, there was severe safety risk when pyrolysis was carried out at higher temperature using laboratory scale devise. After pyrolysis, cooled char fraction started to heat up strongly, which may cause risk for fire damage. The results indicate that successful pyrolysis of sewage sludge requires optimisation of pyrolysis conditions with respect to raw material, device in use and desired quality of end-products. In the light of nutrient and heavy metal contents of studied end-products agricultural use of solid char fraction is possible. Due to the low solubility of phosphorus in these materials, plant availability, especially in a long term, needs to be assessed in growth experiments. In addition research is needed to identify the most feasible usage for gas and liquid fractions as well as to assess organic pollutants potentially occurring in the solid char fraction.201

A novel solution for utilizing liquid fractions from slow pyrolysis and hydrothermal carbonization - Acidification of animal slurry

Pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC) have recently gained much interest in the field of biomass processing. This is due to the process flexibility with respect to raw materials and the range of potential applications proposed for the end products. In addition to the main product, biochar, the processes yield a liquid fraction that has turned out to be challenging to productize. Considering the feasibility of the thermochemical conversion technologies, it is crucial that all the produced fractions can be utilized reasonably and no waste fractions expensive to dispose remain. In spite of active research and development work, unambiguous uses for the liquid fractions have not been recognized yet. Please click on the file below for full content of the abstract

Are there environmental or agricultural benefits in using forest residue biochar in boreal agricultural clay soil?

Short-term agronomic and environmental benefits are fundamental factors in encouraging farmers to use biochar on a broad scale. The short-term impacts of forest residue biochar (BC) on the productivity and carbon (C) storage of arable boreal clay soil were studied in a field experiment. In addition, rain simulations and aggregate stability tests were carried out to investigate the potential of BC to reduce nutrient export to surface waters. A BC addition of 30 t ha−1 increased soil test phosphorus and decreased bulk density in the surface soil but did not significantly change pH or water retention properties, and most importantly, did not increase the yield. There were no changes in the bacterial or fungal communities, or biomasses. Soil basal respiration was higher in BC-amended plots in the spring, but no differences in respiration rates were detected in the fall two years after the application. Rain simulation experiments did not support the use of BC in reducing erosion or the export of nutrients from the field. Of the C added, on average 80% was discovered in the 0–45 cm soil layer one year after the application. Amendment of boreal clay soil with a high rate of BC characterized by a moderately alkaline pH, low surface functionalities, and a recalcitrant nature, did not induce such positive impacts that would unambiguously motivate farmers to invest in BC. BC use seems unviable from the farmer's perspective but could play a role in climate change mitigation, as it will likely serve as long-term C storage.202